Interacción electromagnética

La interacción electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales . Existe interacción electromagnética entre partículas que tienen carga eléctrica [1] . Desde el punto de vista moderno, la interacción electromagnética entre partículas cargadas no se realiza directamente, sino únicamente a través del campo electromagnético.

Desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos [2] , la interacción electromagnética la lleva a cabo un bosón sin masa , un fotón (una partícula que puede representarse como una excitación cuántica de un campo electromagnético). El fotón en sí no tiene carga eléctrica, pero puede interactuar con otros fotones intercambiando pares virtuales de electrones y positrones.

De las partículas fundamentales, las partículas con carga eléctrica también participan en la interacción electromagnética: quarks , electrones , muones y tau-leptones (de los fermiones ), así como los bosones W ± de gauge cargados . Las partículas fundamentales restantes del Modelo Estándar (todos los tipos de neutrinos , bosón de Higgs y portadores de interacciones: calibre Z 0 -bosón , fotón, gluones) son eléctricamente neutras.

La interacción electromagnética difiere de las interacciones débil [3] y fuerte [4] por su naturaleza de largo alcance: la fuerza de interacción entre dos cargas disminuye solo como la segunda potencia de la distancia (ver: ley de Coulomb ). Según la misma ley, la interacción gravitatoria disminuye con la distancia . La interacción electromagnética de las partículas cargadas es mucho más fuerte que la gravitacional, y la única razón por la cual la interacción electromagnética no se manifiesta con mucha fuerza a escala cósmica es la neutralidad eléctrica de la materia, es decir, la presencia en cada región del Universo con un alto grado de precisión de cantidades iguales de cargas positivas y negativas.

En el marco clásico (no cuántico), la interacción electromagnética se describe mediante la electrodinámica clásica .

Propiedades

Solo los objetos que tienen carga eléctrica pueden participar en la interacción electromagnética (incluidos los neutros en general, pero que consisten en partículas cargadas). Estas son la mayoría de las partículas elementales fundamentales conocidas , en particular, todos los quarks , todos los leptones cargados ( electrones , muones y tau-leptones ), así como los bosones de norma W ± . De acuerdo con los conceptos modernos, la interacción electromagnética se lleva a cabo a través de un campo electromagnético , cuyos cuantos , los fotones , son portadores de la interacción electromagnética [5] .

A diferencia de las interacciones débil y fuerte , la interacción electromagnética, como la gravitacional , es de largo alcance. En particular, la fuerza de atracción de cuerpos inmóviles con carga opuesta cae a grandes distancias en forma de ley de potencia, de acuerdo con la ley del cuadrado inverso (ver la ley de Coulomb ). La acción de largo alcance de las fuerzas electromagnéticas se debe a la ausencia de masa en los fotones como portadores de esta interacción [5] .

En el microcosmos, la intensidad ( sección eficaz ) de la interacción electromagnética se caracteriza por el valor de la constante de estructura fina (en CGSE):

\alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}\approx {\frac {1}{137}}

donde es la carga eléctrica elemental , es la constante de Planck , es la velocidad de la luz en el vacío . A nivel de reacciones nucleares en términos de "fuerza", el electromagnetismo ocupa una posición intermedia entre interacciones fuertes y débiles . Los tiempos característicos de decaimiento causados por la interacción electromagnética son alrededor de 10 −12 - 10 −20 s, mientras que para una interacción fuerte son del orden de 10 −23 s, y para una interacción débil son 10 3 − 10 −13 s. Como ejemplo, podemos comparar la sección transversal para la dispersión por un protón de un fotón con una energía de 1 GeV y un pión con la energía total correspondiente en el sistema del centro de masa . Para un pión cuya interacción con un protón se debe a la interacción fuerte, la sección eficaz es 10 000 veces mayor [5] . $mi$ $\hbar$ $C$

La interacción electromagnética conserva la paridad espacial (la llamada paridad P ), la paridad de carga (la llamada paridad C ), así como números cuánticos como la extrañeza , el encanto y la belleza . Esto distingue el electromagnetismo de la fuerza débil. Al mismo tiempo, a diferencia de la interacción fuerte, la interacción electromagnética en procesos con hadrones no conserva el espín isotópico (acompañado de la emisión de un fotón, puede cambiar por ±1 o 0) y viola la G -paridad [5] .

La presencia de leyes de conservación, teniendo en cuenta las propiedades de los fotones, impone ciertas reglas de selección en los procesos que involucran interacción electromagnética. Por ejemplo, dado que el giro del fotón es 1, las transiciones radiativas entre estados con momento angular cero están prohibidas . La necesidad de preservar la paridad de carga conduce al hecho de que los sistemas con paridad de carga positiva decaen con la emisión de solo un número par de fotones, y con paridad de carga negativa solo un número impar. En particular, el parapositronio se desintegra en dos fotones y el ortopositronio en tres (ver positronio ) [5] .

Papel en la naturaleza

Debido a la interacción de largo alcance, la interacción electromagnética se manifiesta notablemente tanto a nivel macroscópico como microscópico. De hecho, la gran mayoría de las fuerzas físicas en la mecánica clásica -fuerzas elásticas , fuerzas de fricción , fuerzas de tensión superficial , etc.- son de naturaleza electromagnética [5] .

La interacción electromagnética determina la mayoría de las propiedades físicas de los cuerpos macroscópicos y, en particular, el cambio de estas propiedades durante la transición de un estado de agregación a otro. La interacción electromagnética es la base de las transformaciones químicas . Los fenómenos eléctricos , magnéticos y ópticos también se reducen a la interacción electromagnética [5] .

A nivel microscópico, la interacción electromagnética (teniendo en cuenta los efectos cuánticos) determina la estructura de las capas de electrones de los átomos , la estructura de las moléculas , así como complejos y agrupaciones moleculares más grandes. En particular, la magnitud de la carga eléctrica elemental determina el tamaño de los átomos y la longitud de los enlaces en las moléculas. Por ejemplo, el radio de Bohr es , donde es la constante eléctrica , es la constante de Planck , es la masa del electrón , es la carga eléctrica elemental [5] . ${{4\pi \varepsilon _{0}\hbar ^{2}} \over {m_{e}e^{2}}}$ $\varepsilon_{0}$ $\hbar$ $yo$ $mi$

Descripción teórica

Electrodinámica clásica

En la mayoría de los casos, los procesos electromagnéticos macroscópicos pueden describirse dentro del marco de la electrodinámica clásica con el grado de precisión requerido. En este caso, los objetos interactuantes son considerados como un conjunto de puntos materiales caracterizados, además de la masa, también por la carga eléctrica . Al mismo tiempo, se supone que la interacción se lleva a cabo por medio de un campo electromagnético , un tipo separado de materia , que penetra en todo el espacio .

Electrostática

La electrostática considera la interacción de cuerpos cargados inmóviles. La ley básica de la electrostática es la ley de Coulomb , que establece una relación entre la fuerza de atracción/repulsión de dos puntos materiales cargados, la magnitud de su carga y la distancia entre ellos. En forma matemática, la ley de Coulomb tiene la forma [6] :

{\vec F}_{{12}}=k{\frac {q_{1}q_{2}}{r_{{12}}^{3}}}{\vec r}_{{12}} ,

donde es la fuerza con la que actúa la partícula 1 sobre la partícula 2 , que depende del sistema de unidades utilizado , en CGS es igual a 1, en SI : ${\vec F}_{{12}}$ $q_{{1,2}}$ ${\vec r}_{{12}}$ $r_{12}$ $k$

k={\frac{1}{4\pi\varepsilon _{0}}},

donde es la constante eléctrica . $\varepsilon_{0}$

En el marco de la electrostática, la magnitud del campo eléctrico creado por una carga puntual está determinada por la expresión [6] :

{\vec E}=k{\frac {q}{r^{3}}}{\vec r},

donde es la intensidad del campo eléctrico en un punto dado, es la carga de la partícula que crea este campo, es el radio vector dibujado desde el punto de ubicación de la partícula hasta el punto donde se determina el campo ( es el módulo de este vector). $\vec E$ $q$ ${\ vec {r))$ $r$

La fuerza que actúa sobre una partícula cargada colocada en un campo eléctrico viene dada por:

{\vec F}=q{\vec E},

donde es la magnitud de la carga eléctrica de la partícula, es la suma vectorial de las intensidades de los campos eléctricos creados por todas las partículas (excepto la que se está considerando) en el punto donde se encuentra la partícula [6] . $q$ $\vec E$

Si la carga se distribuye en un cierto volumen con densidad , entonces el campo electrostático creado por ella se puede encontrar a partir del teorema de Gauss electrostático , que tiene la siguiente forma en forma diferencial en el sistema CGS [7] : $\rho ({\vec r})$

{\mathrm {div}}{\vec E}=4\pi\rho.

En presencia de un medio dieléctrico polarizable , la magnitud del campo eléctrico creado por las cargas libres cambia debido a la influencia de las cargas ligadas que forman el medio. Este cambio en muchos casos se puede caracterizar introduciendo el vector de polarización del medio y el vector de inducción eléctrica, en este caso se cumple la siguiente relación [8] : ${\ vec P}$ ${\ vec D}.$

{\vec D}={\vec E}+4\pi {\vec P}.

El teorema de Gauss en este caso se escribe como [8] :

{\mathrm {div}}{\vec D}=4\pi \rho ,

donde by es la densidad de solo cargas libres. $\rho$

En la mayoría de los casos, los campos bajo consideración son mucho más débiles que los campos intraatómicos, por lo que es válida una relación lineal entre el vector de polarización y la intensidad del campo eléctrico en un punto dado. Para medios isotrópicos, este hecho se expresa matemáticamente mediante la siguiente igualdad [9] :

{\vec P}=\alpha {\vec E},

donde es el coeficiente que caracteriza la polarizabilidad de un dieléctrico dado a una temperatura y presión dadas . De manera similar, una relación lineal entre tensión e inducción es válida [9] : $\alfa$

{\vec D}=\varepsilon {\vec E},

donde el coeficiente se llama permitividad [9] . $\varepsilon=1+4\pi \alfa$

Teniendo en cuenta el medio polarizable, las fórmulas anteriores para la fuerza de interacción electrostática y la intensidad del campo electrostático toman la forma [10] :

{\vec F}_{{12}}=k{\frac {q_{1}q_{2}}{\varepsilon r_{{12}}^{3}}}{\vec r}_{{12 }},

{\vec E}=k{\frac {q}{\varepsilon r^{3}}}{\vec r}.

Magnetostática

La magnetostática estudia la interacción de corrientes eléctricas que son constantes en magnitud e inmóviles en el espacio , representando, en esencia, un flujo de partículas cargadas. La magnetostática se basa en la ley de Biot-Savart-Laplace y la ley de Ampère . La ley de Biot-Savart-Laplace le permite encontrar la magnitud del campo magnético creado por un pequeño elemento de corriente. Si hay un elemento de corriente lineal con una longitud igual a la intensidad de la corriente , entonces crea un campo magnético en el espacio circundante, cuya inducción está determinada por la expresión [11] : ${\ matemáticas {d}} l,$ ${\ matemáticas {I}),$

{\vec ({\mathrm {d}}B}}=k^{{\prime }}{\mathcal {I}}{\frac {\left[{\vec ({\mathrm {d}}l} }\times {\vec r}\right]}{r^{3}}},

donde está el vector de radio dibujado desde la ubicación del elemento actual hasta el punto en el espacio en el que se determina el campo magnético ( es el módulo de este vector de radio), es el vector cuya longitud es igual y la dirección coincide con la dirección de la corriente (asumiendo que la dirección de la corriente está determinada por el movimiento de partículas cargadas positivamente), es una constante dependiendo de la elección del sistema de unidades: en el sistema SI ( es la constante magnética ), en el sistema CGS ( es la velocidad de la luz en el vacío ). Aquí y debajo, el símbolo × entre corchetes denota el producto vectorial . ${\ vec {r))$ $r$ ${\vec {{\mathrm {d}}l}}$ ${\ matemáticas {d}} l,$ $\mathcal{yo}$ $k^{{\principal}}$ $k^{{\primo}}=\mu _{0}/4\pi$ $\mu_{0}$ $k^{{\principal}}=1/c$ $C$

La ley de Ampère determina la magnitud de la fuerza con la que el campo magnético en un punto dado actúa sobre el elemento actual [12] :

{\vec ({\mathrm {d}}F}}=k^{{\prime \prime }}{\mathcal {I}}\left[{\vec ({\mathrm {d}}l}}\ veces {\vec B}\right],

donde es la magnitud del campo magnético en un punto dado, igual a la suma vectorial de los campos magnéticos creados por todas las demás corrientes, es un coeficiente que depende del sistema de unidades elegido: en el sistema SI es igual a uno, en el sistema CGS - ( - la velocidad de la luz en el vacío ). ${\ vec {B}}$ $k^{{\principal \principal))$ $k^{{\principal \principal}}=1/c$ $C$

La ley de Ampere es una consecuencia directa de la expresión del componente magnético de la fuerza de Lorentz , la fuerza con la que el campo electromagnético actúa sobre una partícula cargada [13] :

{\vec F}=k^{{\prime \prime }}q\left[{\vec v}\times {\vec B}\right],

donde es la carga de la partícula, es su velocidad. $q$ ${\ vec {v}}$

La ley de Biot-Savart-Laplace se puede reescribir en la forma de la densidad de corriente [14] : $\ vec j$

{\vec {{\mathrm {d}}B}}=k^{{\prime }}{\frac {\left[{\vec j}\times {\vec r}\right]}{r^{ 3}}}{\matemáticas {d}}V,

donde es el volumen del elemento actual a granel que crea el campo. De esta forma de la ley de Biot-Savart-Laplace, se puede derivar un teorema sobre la circulación de la inducción magnética , que en forma diferencial toma la forma [15] : ${\ matemáticas {d}} V$

{\mathrm {rot}}{\vec B}=4\pi k^{{\prime }}{\vec j}.

En presencia de un medio magnético (es decir, un medio capaz de magnetizar ), su influencia se caracteriza por los vectores de magnetización del medio y la intensidad del campo magnético. En este caso, la conexión es verdadera: ${\vec yo}$ ${\ vec H}.$

{\vec H}={\frac {{\vec B}}{\mu _{0}}}-{\vec I}

— en el sistema SI [16] ,

{\vec H}={\vec B}-4\pi {\vec I}

— en el sistema CGS [17] .

En medios isotrópicos lineales, es válida una relación simple entre la magnitud de la magnetización y el campo magnético aplicado (físicamente, sería más correcto relacionar la magnetización con la magnitud de la inducción magnética, sin embargo, por razones históricas, generalmente es expresado en términos de la fuerza del campo magnético - debido a la relación lineal entre las magnitudes y de fundamental importancia, esto no importa) [18] [19] : ${\ vec B},$ ${\ vec {H}}$ ${\vec yo}$

{\vec I}=\kappa {\vec H},

donde el coeficiente se denomina susceptibilidad magnética del medio. A menudo también operan con el valor de la permeabilidad magnética , definida como: $\kappa$ $\ mu ,$

\mu=1+\kappa

— en el sistema SI [19] ,

\mu =1+4\pi \kappa

— en el sistema CGS [18] .

En este caso, las siguientes relaciones son válidas:

{\vec B}=\mu \mu _{0}{\vec H}

— en el sistema SI [19] ,

{\vec B}=\mu {\vec H}

— en el sistema CGS [18] .

Cabe señalar que los ferromagnetos son fundamentalmente medios no lineales, en particular, están sujetos al fenómeno de histéresis, por lo que las relaciones simples indicadas anteriormente no son válidas para ellos.

El teorema de circulación en medios magnéticos toma la siguiente forma [17] :

{\mathrm {rot}}{\vec H}=4\pi k^{{\prime }}{\vec j}.

Ecuaciones de Maxwell

Electrodinámica cuántica

Historia de la teoría

Originalmente se pensó que la electricidad y el magnetismo eran dos fuerzas separadas. Este punto de vista cambió, sin embargo, con la publicación en 1873 de A Treatise on Electricity and Magnetism de James Maxwell , que mostraba que la interacción de las cargas positivas y negativas estaba gobernada por una sola fuerza. Hay cuatro efectos principales resultantes de estas interacciones que han sido claramente demostrados mediante experimentos:

Las cargas eléctricas se atraen o se repelen con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas: las cargas opuestas se atraen, las cargas iguales se repelen.
Los polos magnéticos (o estados de polarización en puntos separados) se atraen o se repelen de manera similar y siempre vienen en pares: cada polo norte no existe por separado del sur.
La corriente eléctrica en un cable crea un campo magnético circular alrededor del cable, dirigido (hacia la derecha o hacia la izquierda) según el flujo de corriente.
Se induce una corriente en una espira de alambre cuando se acerca o se aleja del campo magnético, o cuando un imán se acerca o se aleja de la espira de alambre; la dirección de la corriente depende de la dirección de estos movimientos.

Preparándose para una conferencia en la noche del 21 de abril de 1820, Hans Christian Oersted hizo una observación asombrosa. Cuando estaba recolectando material, notó que la aguja de la brújula se desviaba del polo norte magnético cuando la corriente eléctrica de la batería que estaba usando se encendía y apagaba. Esta desviación lo llevó a la idea de que los campos magnéticos emanan de todos los lados de un cable a través del cual pasa una corriente eléctrica, al igual que la luz y el calor se propagan en el espacio, y que la experiencia indica una conexión directa entre la electricidad y el magnetismo.

En el momento del descubrimiento, Oersted no ofreció una explicación satisfactoria de este fenómeno y no trató de representar el fenómeno en cálculos matemáticos. Sin embargo, tres meses después, comenzó a realizar una investigación más intensiva. Poco después, publicó los resultados de su investigación, demostrando que la corriente eléctrica crea un campo magnético cuando fluye a través de los cables. En el sistema CGS , la unidad de inducción electromagnética ( E ) recibió su nombre por sus contribuciones al campo del electromagnetismo.

Las conclusiones de Oersted dieron lugar a un estudio intensivo de la electrodinámica por parte de la comunidad científica mundial. Dominique François Arago también data de 1820 , quien notó que un cable que transportaba una corriente eléctrica atraía limaduras de hierro . También magnetizó por primera vez alambres de hierro y acero, colocándolos dentro de bobinas de alambres de cobre por donde pasaba la corriente. También logró magnetizar la aguja colocándola en una bobina y descargando una botella de Leyden a través de la bobina. Independientemente de Arago, la magnetización del acero y el hierro por la corriente fue descubierta por Davy . Las primeras determinaciones cuantitativas del efecto de la corriente sobre un imán de la misma forma datan de 1820 y pertenecen a los científicos franceses Jean-Baptiste Biot y Felix Savard [20] . Los experimentos de Oersted también influyeron en el físico francés Andre-Marie Ampère , quien presentó el patrón electromagnético entre un conductor y la corriente en forma matemática. El descubrimiento de Oersted también representa un paso importante hacia un concepto de campo unificado.

Esta unidad, que fue descubierta por Michael Faraday , complementada por James Maxwell y refinada por Oliver Heaviside y Heinrich Hertz , es uno de los desarrollos clave en la física matemática en el siglo XIX . Este descubrimiento tuvo consecuencias de largo alcance, una de las cuales fue la comprensión de la naturaleza de la luz . La luz y otras ondas electromagnéticas toman la forma de fenómenos de campo electromagnético oscilatorio autopropagantes cuantificados llamados fotones . Las diferentes frecuencias de vibración dan como resultado diferentes formas de radiación electromagnética, desde ondas de radio a bajas frecuencias hasta luz visible a frecuencias medias y rayos gamma a altas frecuencias.

Oersted no fue la única persona que descubrió la conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1802, Giovanni Domenico Romagnosi , un jurista italiano, desvió una aguja magnética con descargas electrostáticas. Pero, de hecho, en los estudios de Romagnosi no se utilizó una celda galvánica y no había corriente continua como tal. Un relato del descubrimiento fue publicado en 1802 en un periódico italiano, pero apenas fue notado por la comunidad científica de la época [21] .

Véase también

Notas

↑ La interacción electromagnética también existe entre partículas que son eléctricamente neutras en su conjunto (es decir, con carga eléctrica total cero), pero contienen constituyentes que llevan carga, por lo que la interacción no se reduce a cero, aunque disminuye rápidamente con la distancia. Por ejemplo, un neutrón es una partícula neutra, pero contiene quarks cargados en su composición y, por lo tanto, participa en la interacción electromagnética (en particular, tiene un momento magnético distinto de cero ).
↑ La sección de la teoría cuántica de campos que describe la interacción electromagnética se llama electrodinámica cuántica . Esta es una sección ejemplar, mejor desarrollada y calculable de la teoría cuántica de campos y, en general, una de las áreas más exitosas y precisas, en el sentido de confirmación experimental, de la física teórica.
↑ La interacción débil disminuye rápidamente debido a la masividad de sus portadores: los bosones vectoriales W y Z.
↑ La interacción fuerte entre los quarks disminuye con la distancia incluso mucho más lentamente, o más bien, aparentemente, su fuerza no disminuye en absoluto con la distancia; sin embargo, todas las partículas conocidas que se observan en estado libre son neutras con respecto a la "carga fuerte" - color - ya que no contienen quarks en absoluto o incluyen varios quarks, cuya suma de colores es igual a cero, por lo tanto, en el campo principal de interacción fuerte, el campo de gluones , se concentra entre quarks "coloreados", dentro de la partícula compuesta, y su "parte residual", que se propaga hacia afuera, es muy pequeña y se cae rápidamente.
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Interacciones fundamentales
Fuerte interacción Interacción débil Interacción electromagnética interacción gravitatoria